一种便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，与拉曼活性介质的检测表征有关，本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，采用一台固定波长激光器和空心光子晶体光纤作为光源，可代替可调谐激光器，达到了有效减小仪器体积的目的。本发明包括固体激光器，空心光子晶体光纤，二相色镜，聚焦透镜，探测器和数据采集处理单元。固体激光器发射和空心光子晶体光纤沿光轴依次放置，空心光子晶体光纤内充有拉曼活性介质，固体激光器发射的激光在空心光子晶体光纤内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光经二相色镜后，再由聚焦透镜在被测目标上聚焦，被测目标在两束光照下产生的后向反斯托克斯信号光经聚焦透镜聚焦后，再由二相色镜反射到发射光轴一侧的探测器上，经过对探测信号的采集处理获得目标组分信息。
1.一种便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，包括：固体激光器（1），空心光子晶体光纤（2），二向色镜（3），聚焦透镜（4），探测器（5）和数据采集处理单元（6）；其特征在于：其设置方式为如下两种之一；
第一种方式，固体激光器发出的激光从空心光子晶体光纤的入射端进入空心光子晶体光纤，空心光子晶体光纤内充有拉曼活性介质，固体激光器发射的激光在空心光子晶体光纤内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同由空心光子晶体光纤的出射端输出经二向色镜后，再由聚焦透镜聚焦在被测目标上，被测目标在两束光照下产生的后向反斯托克斯信号光经聚焦透镜聚焦后，再由二向色镜反射到探测器上，探测器输出的信号再经数据传输线由数据采集与处理单元采集并处理；
或者第二种方式，固体激光器发出的激光从空心光子晶体光纤的入射端进入空心光子晶体光纤，空心光子晶体光纤内充有拉曼活性介质，固体激光器发射的激光在空心光子晶体光纤内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同由空心光子晶体光纤的出射端输出由聚焦透镜聚焦在被测目标上，被测目标在两束光照下产生的前向反斯托克斯信号光经二向色镜过滤后入射到探测器上，探测器输出的信号再经数据传输线由数据采集与处理单元采集并处理；
采用的空心光子晶体光纤须经过合理设计，且合理选择内部充入的拉曼活性介质，使得空心光子晶体光纤产生的斯托克斯拉曼光光谱能够覆盖被测目标的斯托克斯拉曼光光谱；
空心光子晶体光纤内充的拉曼活性介质为CH4、氧气、硝基苯中一种或二种以上。
2.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：采用的固体激光器是光纤激光器、半导体激光器或者YAG激光器。
3.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：或者采用适当材料做纤芯，产生同样或类似斯托克斯光波长的实心光子晶体光纤，以取代所述空心光子晶体光纤。
4.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：采用的二向色镜对于固体激光器发射的光波长以上的光高透，对于该波长以下的光高反。
5.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：采用的聚焦透镜采用紧聚焦方式，或者采用显微镜组，提高信号光产率和收集效率。
6.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：在二向色镜和探测器之间还增加一个或多个滤波器，起到滤除杂散光的效果，提高信噪比。
7.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：第二种方式所测的被测目标为透明样品。
8.依据权利要求1所述的便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，其特征是：数据采集与处理单元为计算机或单片机。
一种便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪
技术领域
[0001] 本发明为一种便携式相干反斯托克斯拉曼光谱仪，与拉曼活性介质的检测表征有关，本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，采用一台固定波长激光器和空心光子晶体光纤作为光源，实现获得待测样品的反斯托克斯拉曼光谱，与传统探测斯托克斯光的拉曼光谱相比，可以减小仪器体积，并减少荧光或者磷光的干扰。
背景技术
[0002] 拉曼光谱技术作为光谱技术的一个重要分支，在科学研究，工业生产，环境监测和国防科技等领域发挥了巨大作用。当前采用的拉曼光谱技术多采用探测斯托克斯光的方式，普遍存在荧光磷光等干扰，而且由于自发拉曼散射的效率较低，因此一般需要较长的积分时间来收集斯托克斯光信号，这在探测低组分物种的时候就存在很大困难，使得低组分或者拉曼活性较差的物种的拉曼信号被淹没的情况。为获得样品一定光谱范围内的拉曼光谱，当前拉曼光谱仪一般采用单色仪与ICCD或者单点探测器联用的方式，这也大幅提高了成本和设备复杂程度。针对拉曼光谱技术中存在的上述问题，本发明提出一个固体激光器与一个空心光子晶体光纤组合产生泵浦光和斯托克斯光，共振激发被测样品反斯托克斯线的方法，探测样品的相干反斯托克斯光谱，可以避开荧光或者磷光干扰，有效提高信噪比，空心光子晶体光纤的使用，可以代替染料激光器或OPO等可调谐激光器，结合适当的拉曼活性介质产生需要的斯托克斯光，可以显著减小仪器体积，实现探测仪器的小型化，适合各种介质的拉曼检测与表征。
发明内容
[0003] 本发明针对普通拉曼光谱仪包括相干反斯托克斯拉曼光谱仪的缺点，采用空心光子晶体光纤，辅以适当的拉曼活性介质以及合理的结构设计，可以产生适当光谱范围的斯托克斯光，可代替可调谐激光器，达到了有效减小仪器体积的目的。
[0004] 本发明具体内容包括：固体激光器(1)，空心光子晶体光纤(2)，二相色镜(3)，聚焦透镜(4)，探测器(5)和数据采集处理单元(6)；其特征在于：其设置方式为如下两种之一；
[0005] 第一种方式，固体激光器发出的激光从和空心光子晶体光纤的入射端进入空心光子晶体光纤，空心光子晶体光纤内充有拉曼活性介质，固体激光器发射的激光在空心光子晶体光纤内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同由空心光子晶体光纤的出射端输出经二相色镜后，再由聚焦透镜聚焦在被测目标上，被测目标在两束光照下产生的后向反斯托克斯信号光经聚焦透镜聚焦后，再由二相色镜反射到探测器上，探测器输出的信号再经数据传输线由数据采集与处理单元采集并处理；
[0006] 或者第二种方式，固体激光器发出的激光从和空心光子晶体光纤的入射端进入空心光子晶体光纤，空心光子晶体光纤内充有拉曼活性介质，固体激光器发射的激光在空心光子晶体光纤内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同由空心光子晶体光纤的出射端输出由聚焦透镜聚焦在被测目标上，被测目标在两束光照下产生的前向反斯托克斯信号光经二相色镜过滤后入射到探测器上，探测器输出的信号再经数据传输线由数据采集与处理单元采集并处理；第二种方式所测的被测目标为透明样品。
[0007] 本发明中采用的固体激光器可以是光纤激光器、半导体激光器或者YAG激光器，或者也可以是其他任何一种体积较小的激光器。
[0008] 所采用的空心光子晶体光纤须经过合理设计，且合理选择内部充入的拉曼活性介质，使得空心光子晶体光纤产生的斯托克斯拉曼光光谱能够覆盖被测目标的斯托克斯拉曼光光谱；空心光子晶体光纤内充的拉曼活性介质可以为CH4、氧气、硝基苯等；或者采用适当材料做纤芯，可产生同样或类似斯托克斯光波长的实心光子晶体光纤，也可以取代所述空心光子晶体光纤。
[0009] 采用的二向色镜对于固体激光器发射的光波长以上(含)的光高透，对于该波长以下的光高反。
[0010] 采用的聚焦透镜采用紧聚焦方式(如NA>0.1或f<20mm)，或者采用显微镜组，可以提高信号光产率和收集效率。
[0011] 在二相色镜和探测器之间还可以增加一个或多个滤波器，起到滤除杂散光的效果，可以提高本发明的信噪比。数据采集与处理单元为计算机或单片机。
附图说明
[0012] 图1为本发明的基本结构图，其中：1-固体激光器，2-空心光子晶体光纤，3-二相色镜，4-聚焦透镜，5-探测器，6-数据采集处理单元。
[0013] 图2为本发明的另一种形式，其中：1-固体激光器，2-空心光子晶体光纤，3-二相色镜，4-聚焦透镜，5-探测器，6-数据采集处理单元。
具体实施方式
[0014] 为详细描述本发明的具体工作过程及使用方法，结合实际应用情况，举例说明本发明的具体实施方式。
[0015] 实施例1，测试混合气体中的甲烷含量。
[0016] 为探测甲烷的相干反斯托克斯拉曼(CARS)光谱，可采用的固体激光器包括YAG激光器，YLF激光器等，本实施例中采用增益介质为YAG的光纤激光器，输出激光波长约为1.06微米，脉宽为几个纳秒，相应的空心光子晶体光纤采用带隙型设计，内部充有一个大气压的纯CH4气体作为拉曼增益介质，1.06微米激光在空心光子晶体光纤内部分转化为约1.54微米的斯托克斯光，脉宽与光纤激光相当，从空心光子晶体光纤中输出的光就包括1.06微米和1.54微米两个波长的激光，本实施例中采用的二相色镜3为长波通(longpass)二相色镜，截止波长为1微米，1.05微米至1.6微米区间的典型透过率大于99％，在700纳米至1微米波段的反射率在99％以上，聚焦透镜4采用数值孔径NA＝1.1的显微镜头，探测器5采用Thorlabs公司的APD210雪崩硅光电二极管，数据采集处理单元6为自制的信号采集与处理组件集成得到。光纤激光器发射的激光经空心光子晶体光纤后，一部分在空心光子晶体光纤2内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同经二相色镜3后，再由聚焦透镜4聚焦在被测混合气体池中，甲烷在两束激发光的共同作用下产生后向相干反斯托克斯光信号，后向反斯托克斯光再由聚焦透镜4汇聚，被测目标在两束光照下产生的后向反斯托克斯信号光经聚焦透镜4聚焦后，再由二相色镜3反射到探测器5上，探测器5和二相色镜之间的光路上可以增加带通滤波片或者短波通滤波片或色散元件等，以滤除斯托克斯光和泵浦光的干扰，也可以滤除荧光的干扰，其中采用陷波滤波器与色散元件的组合能更起到相对更理想的效果，探测器输出的电信号经数据传输线由数据采集与处理单元，将电信号进行处理并显示，即可得到甲烷的浓度信息。由于增益介质为YAG的光纤激光器可以做到较高的重复频率(MHz)，因此本发明所涉及的便携式受激拉曼光谱仪可以实现对目标气体的快速探测。
[0017] 实施例2，测试混合气体中的乙烯的含量。
[0018] 为探测乙烯的相干反斯托克斯拉曼(CARS)光谱，本实施例中采用增益介质为YAG的紧凑型固体激光器，且带有倍频部分，输出激光波长约为532纳米，脉宽为几个纳秒，重复频率为1KHz，相应的空心光子晶体光纤采用带隙型设计，内部充有一个大气压的纯C2H6气体作为拉曼增益介质，532nm米激光在空心光子晶体光纤内部分转化为约630纳米的斯托克斯光，脉宽与固体激光相当，从空心光子晶体光纤中输出的光就包括约532纳米和约630微米两个波长的激光，本实施例中采用的二相色镜3为长波通(longpass)二相色镜，截止波长为530纳米，530纳米至650纳米区间的典型透过率大于99％，在400纳米至500纳米波段的反射率在99％以上，聚焦透镜4采用数值孔径NA＝1.1的显微镜头，探测器5采用Thorlabs公司的APD210雪崩硅光电二极管，数据采集处理单元6为自制的信号采集与处理组件集成得到。固体激光器发射的激光经空心光子晶体光纤后，一部分在空心光子晶体光纤2内部分转化为斯托克斯拉曼光，剩余激光与斯托克斯拉曼光共同经二相色镜3后，再由聚焦透镜4聚焦在被测混合气体池中，乙烯在两束激发光的共同作用下产生后向相干反斯托克斯光信号，后向反斯托克斯光再由聚焦透镜4汇聚，被测目标在两束光照下产生的后向反斯托克斯信号光经聚焦透镜4聚焦后，再由二相色镜3反射到探测器5上，探测器5和二相色镜之间的光路上可以增加带通滤波片或者短波通滤波片或色散元件等，以滤除斯托克斯光和泵浦光的干扰，也可以滤除荧光的干扰，其中采用陷波滤波器与色散元件的组合能更起到相对更理想的效果，探测器输出的电信号经数据传输线由数据采集与处理单元，将电信号进行处理并显示，即可得到乙烯的浓度信息。
